马铃薯捡拾机发展现状及主要功能结构研究

    杨金砖 李国民 郝磊

    摘 要：马铃薯作为我国重要的农作物和生产原料，我国每年对于马铃薯的需求量都很大。但现阶段，马铃薯的生产基本上还是以依靠人力劳动为主，生产效率低下，劳动力资源浪费明显。为优化马铃薯的农业生产过程，马铃薯捡拾机近年来得到了一定的普及与使用，我国对其技术研究和结构改造也十分重视，这有利于马铃薯生产机械化的实现。

    关键词：马铃薯；捡拾机械；原理；技术特点

    中图分类号：S225.7 文献标识码：A

    doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.03.005

    马铃薯是我国广泛种植的一种经济作物，也是我国的主要蔬菜作物之一，马铃薯不仅应用于食品，还广泛应用于淀粉加工、工业原材料等很多领域。马铃薯作为仅次于小麦、水稻和玉米的重要农作物，提升其生产的科学化和便捷程度十分重要。在传统的栽培模式下，对于马铃薯的收获往往需要耗费大量的人力和物力，且作业时间长、劳动强度大，不利于生产效率的提升。随着农业机械化的发展，马铃薯捡拾机械逐渐得到发展与使用，这不仅有效减轻了劳动负担，还促进了马铃薯种植向着规模化方向发展，对马铃薯产业的优化和升级具有显著的作用和意义。

    1 发展现状及应用情况

    我国对于马铃薯挖掘和捡拾的相关机械研究起始于20世纪60年代，最初的研究采用技术引进的方式，先后从德国、前苏联、波兰等国引进了成熟机型并进行研究与开发。到20世纪70年代中期，我国成功研制出鼠笼式马铃薯收获机，但由于拖拉机保有量不足，配套动力缺失而难以实现大量推广。直到20世纪90 年代中期，随着小型轮式拖拉机的大量使用，马铃薯栽培的相关农业机械再次被重视和研究，包括了小型升运链式、振动式和新型农用液压式马铃薯挖掘机被投放市场。随着马铃薯产业的迅猛发展，马铃薯的挖掘和捡拾设备在技术上有了快速发展，其相关功能也得以完善。

    近年来，我国对马铃薯捡拾机的研究十分重视，不仅完成了技术和理论方面的研究，很多自主先进机型也基本实现了产品化。随着相关技术分析和试验的不断完善，结合我国农业生产的实际情况，为规范化马铃薯产业机械设备使用情况，中华人民共和国农业部农业机械化管理司发布了《马铃薯收获机质量评价技术规范》，参照以上规范，马铃薯捡拾机的相关参数及标准见下表所示。

    2 捡拾机械的工作原理

    现阶段可供捡拾马铃薯使用的机械主要分为两类，一类是通过挖掘机将马铃薯翻至地表，再通过捡拾机实现收获；另一类是联合机型，包括拖拉机牵引和自走两种形式，能够实现马铃薯的直接收集。马铃薯挖掘机与捡拾机配合作业更适合于现阶段普遍的小规模生产使用，具有灵活作业的特点，相对而言更符合我国现阶段生产需求。而联合收获形式则更适用于大规模农业生产使用，同时由于联合收获机的体积较大，也难以在小地块中实现收获作业，但随着农村土地政策的不断优化，马铃薯的规模化经营将成为未来的趋势。

    受传统耕作模式的影响，现阶段的我国的马铃薯收获仍以人力劳动作业为主，机械化收获的水平仅为20%左右，这远不及国际化70%的平均机械收获水平，但随着马铃薯种植业对于机械产品的需求不断增长，马铃薯收获机械的研究和发展速度仍比较快。马铃薯收获过程主要由挖掘、分离、捡拾、清选、分级和装运等工序组成。其中马铃薯捡拾机主要由捡拾设备、土薯分离设备、薯秧分离设备、薯块输送装置、薯块分级结构、薯块装袋结构、传动系统、液压操纵装置以及机架、地轮等部分组成。机械动力多通过与拖拉机悬挂连接提供，部分机型也采用了具备自身动力的自走形式，能够形成全面且系统化的作业模式。

    马铃薯捡拾机作業中，需要事先通过挖掘机将硬化土壤松动，并将马铃薯翻至表层，然后通过捡拾设备进行捡拾作业。捡拾过程中尽量减少土壤和杂草等杂物的捡入，并有效保证马铃薯的捡拾率，捡拾后的马铃薯仍不可避免的带有一定量的土壤、茎杆和杂草，它们被一起送入分离装置，经分离输送装置后，在抖动、疏松、破碎的作用下，土壤由输送带间隙落到地面，之后剩余的马铃薯及其他杂余被送入薯秧分离设备，此时茎秆、杂草、地膜会被弹性梳杆阻挡并沿梳杆下滑，进而被茎秆分离摘辊拉扯后抛在地面上。剩余的马铃薯落入薯块提升装置的中，经过再次转移后，在重力和离心力的作用下被运送到分级装置中进行分级，分级后的薯块被输送装置分别装入袋中，以便于转运。

    3 马铃薯捡拾机械的关键技术

    3.1 捡拾技术

    马铃薯捡拾机构的作业对象是挖掘后零散分布在地表的马铃薯，此时地表土壤较为松散，捡拾机构通过结合土壤状况、马铃薯地表的分布密度、散落状况、种植行距等因素来进行相关的调整。在保证对马铃薯有效捡拾的基础上，还必须尽可能地减少马铃薯对土壤及杂物的携带，同时避免捡拾过程中马铃薯的损伤，并尽量降低捡拾阻力以节省拖拉机牵引的燃油消耗。捡拾机构工作时，在拖拉机牵引动力的带动下，捡拾铲铲刃切入薯垄松散的土壤中，土壤与薯块共同沿铲面斜向上移动，被疏松的下层土壤开始下漏。通过调节机构调节捡拾铲的入土角度，能够提高马铃薯捡拾机的分离性能并减少伤薯率，同时降低整机的阻力。

    3.2 土薯分离技术

    土薯分离技术主要是利用杆条式升运链实现土石分离，通过升运链的振动机构，能有效提升对土块的分离能力。土薯分离器通常有三种类型，即橡胶指棒式、毛刷式和双辊式，可分别用于三种不同的作业环境：橡胶指棒式多用于石块较多的环境，毛刷式更适合于土块较多的环境，而双辊式多用在石块、土块较少的情况。现阶段使用的土薯分离技术在土壤较为干燥的情况下效果较好，但在湿润的土壤中容易出现粘土导致的效率降低，甚至影响分离效果。

    3.3 薯秧分离技术

    对于薯秧和杂草的分离，首先利用茎叶偏导杆的重量将薯秧和杂草压靠在筛式升运链上，然后通过摘薯辊与筛式升运链的对转挤压将薯块摘下，并将薯秧与杂草直接分离排出。薯秧分离装置结构简单，分离效率较高，同时性能稳定可靠。

    3.4 薯块分级技术

    薯块分级主要是对马铃薯的体积大小选取一个中间值，以此值分出马铃薯的大小两类，薯块分级装置由若干组分选辊构成，分选辊的间隙可根据实际需求进行调整。薯块分级装置布置于马铃薯收获机的最后方，当大小各异的马铃薯被输送到这一位置时，以分选辊的间隙作为选择标准，较小的薯块会从分选辊的间隙处落下，而较大的薯块得以保留，从而保证了薯块按大小进行分选并分别收集装箱。

    4 技术优化及发展趋势

    （1）工作性能的进一步优化。尽管现阶段的马铃薯捡拾技术取得了一定的研究进展，但仍需通过技术和结构的改进来优化马铃薯捡拾机的相关功能，现阶段的优化重点集中在降低薯块损伤、提高分离效果、减小挖掘阻力、降低能耗等方面。

    （2）使捡拾机械向自动化方向发展。由于马铃薯的品种繁多、各地区土壤性质也不相同，单纯采用机械结构进行捡拾、分离与筛选很难完全满足复杂情况的作业要求。通过现代化的自动控制、传感器技术、液压技术的应用，有利于针对不同作业环境情况调整挖掘铲角度，分离辊速度与间隙，以达到捡拾机适应性的提高，进而提高生产率，获得最佳收获效果。

    （3）提高捡拾机械的智能化程度。智能技术主要是赋予捡拾机械智能识别测控功能，如工作过程中能够对收获产量进行测量，绘制产量分布图，实现精准农业技术；在捡拾时能够使用传感器监测垄高、垄沟信息，进而提升挖掘部件精确挖掘深度；运用声波智能系统、机器视觉识别技术在分离技术中能够识别马铃薯中的土石块，进而帮助分离部件精确去除土石块等。

    5 结语

    随着我国农机技术的不断发展和农机购置补贴力度的继续加强，马铃薯的生产机械化水平也必将得到快速的提升，相关农机生产厂家应重视馬铃薯捡拾机的优化与升级，努力提升产品质量与技术含量，以促进马铃薯机械化生产的健康发展。

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